Данная статья является второй из цикла статей, посвященных фирменным технологиям управления шаговыми двигателями от Trinamic. В первой части были рассмотрены технологии stallGuard2 и coolStep. На этот раз внимание будет уделено spreadCycle, stealthChop, dcStep и microPlyer.
.jpg) |
|
| Рис. 1. | Фирменные технологии TRINAMIC рассматривают двигатель как основной датчик. |
Одной из причин популярности микросхем управления шаговыми двигателями от Trinamic являются фирменные технологии: stallGuard2, coolStep, spreadCycle, stealthChop, dcStep, microPlyer, sensOstep. В данном цикле публикаций мы рассказываем о назначении и особенностях каждой из них. Статьи будут полезны в первую очередь разработчикам, которые только знакомятся с продукцией компании Trinamic.
spreadCycle – технология, позволяющая обеспечивать прецизионное плавное вращение шагового двигателя. Перед тем как рассказать о ее основных особенностях, рассмотрим классический алгоритм коммутации обмоток двигателей (Classic Chopper).
Для питания обмоток шаговых двигателя используются мостовые схемы (Рис. 2). При этом применяют три комбинации состояний ключей:
- On Phase (ON) – фаза прямого протекания тока (Рис. 2, фаза 1);
- Fast Decay Phase (FD) – фаза форсированного обратного протекания тока (Рис. 2, фаза 2);
- Slow Decay Phase (SD) – фаза свободной циркуляции тока (Рис. 2, фаза 3).
.png) |
|
| Рис. 2. | Коммутация обмотки шагового двигателя. |
Очевидно, что для управления током обмотки хватило бы и двух первых фаз (ON и FD), однако добавление фазы свободного протекания тока (SD) позволяет минимизировать потери и снизить уровень шумов. Длительность этой части периода в драйверах от Trinamic жестко задается пользователем с помощью таймера.
При использовании традиционного алгоритма Classic Chopper цикл коммутации состоит из трех вышеперечисленных фаз: ON – FD – SD (Рис. 3). При этом динамически изменяется только длительность фазы прямого протекания тока (ON), а время обратного протекания тока (FD) фиксировано. Отсечка первой фазы происходит при срабатывании компаратора. Длительность второй фазы (Fast Decay) в микросхемах от Trinamic программируется пользователем с помощью таймера. Она должна быть не слишком короткой, чтобы ток успевал снизиться, но и не слишком длинной, чтобы не возникали дополнительные шумы и потери мощности.
.png) |
|
| Рис. 3. | Диаграмма токов при традиционном алгоритме коммутации. |
После задания фиксированной длительности фазы FD производят калибровку смещения, чтобы добиться непрерывного тока в катушках (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Форма токов при традиционном алгоритме коммутации до и после калибровки смещения. |
У традиционного алгоритма есть недостатки. Во-первых, вращение двигателя не всегда оказывается плавным, а при недостаточно точной калибровке это становится особенно заметно. Во-вторых, коммутация обмоток приводит к возникновению значительных помех и характерных шумов шаговых двигателей. При этом даже повышение рабочей частоты не всегда помогает от них избавиться. С другой стороны, рост частоты приводит и к увеличению потерь.
В отличие от традиционного алгоритма, при использовании spreadCycle цикл коммутации разбит на четыре этапа: ON – SD– FD– SD. При этом возможна автоматическая подстройка как длительности фазы прямого тока (ON), так и фазы обратного тока (FD) (Рис. 5). Это позволяет добиваться максимально быстрого отклика и прецизионного контроля тока обмотки.
 |
|
| Рис. 5. | Диаграмма токов при алгоритме коммутации spreadCycle. |
spreadCycle имеет сразу три важных преимущества над традиционным алгоритмом:
- повышение плавности движения;
- снижение шума от двигателя;
- уменьшение уровня помех.
Обеспечение плавности движения – одно из ключевых требований для прецизионных приложений, например, для станков с ЧПУ. Снижение уровня шума – важное условие для повышения комфорта работы как для операторов на промышленных объектах, так и для обычных пользователей в домашних или офисных условиях. Если же от механизма требуется получить минимальный уровень шума, то следует обратить внимание на следующую технологию с говорящим названием stealthChop.
stealthChop – технология, обеспечивающая беспрецедентное снижение шума при работе шаговых двигателей.
stealthChop использует обратную связь не по току, как в spreadCycle, а по напряжению. При этом контролю тока уделяется гораздо меньше внимания. Таким образом, в stealthChop нет необходимости в фазе FD, а последовательность коммутаций выглядит следующим образом: ON – SD (Рис. 6). Такой цикл, очевидно, приводит к снижению пульсаций тока.
 |
|
| Рис. 6. | Сравнение форм сигналов управления при использовании stealthChop (слева) и spreadCycle (справа). |
Даже простое сравнение диаграмм токов в обмотках шаговых двигателей позволяет заметить, что уровень шумов при использовании stealthChop хоть немного, но ниже, чем у spreadCycle (Рис. 7).
 |
|
| Рис. 7. | Сравнение форм токов при использовании stealthChop (слева) и spreadCycle (справа). |
Одна из причин возникновения акустических шумов при использовании традиционного алгоритма коммутации или алгоритма spreadCycle заключается в динамической автоподстройке длительностей импульсов. При этом даже небольшие шумы приводят к джиттеру частоты (Рис. 8), который, в конечном итоге, вызывает характерный шум шаговых двигателей. stealthChop использует жестко заданную частоту коммутации, что и становится причиной уникальной «тихоходности», сравнимой с показателями двигателей постоянного тока. Таким образом, при должной настройке пользователь услышит только шелест подшипников.
 |
|
| Рис. 8. | Изменение частоты сигналов при использовании stealthChop (слева) и spreadCycle (справа). |
К сожалению, stealthChop имеет невысокие динамические характеристики и не подходит для приложений, в которых требуются значительные ускорения. Так как драйверы и контроллеры от Trinamic позволяют переключаться между stealthChop и spreadCycle, то имеет смысл комбинировать эти алгоритмы с учетом диапазона частот и ограничений по разгону/ торможению (Рис. 9). Если же по каким-то причинам использование фирменных алгоритмов затруднено или неоправданно, то всегда можно перейти к традиционному методу коммутации.
 |
|
| Рис. 9. | Оптимальное использование stealthChop и spreadCycle. |
В руководствах пользователя от Trinamic приведено несколько интересных исследований по эффективности различных алгоритмов коммутации. На Рис. 10 представлены результаты одного из них. На низких частотах вращения (до 100 об/мин) лидирует stealthChop, далее почти до 1000 об/мин значительное преимущество имеет spreadCycle.
 |
|
| Рис. 10. | Испытания stealthChop и spreadCycle. |
microPlyer – еще одна фирменная технология от Trinamic, направленная на повышение плавности движения. microPlyer используется для разбиения шагов на 16 дополнительных микрошагов с автоматической подстройкой длительности (Рис. 11).
 |
|
| Рис. 11. | Принцип работы microPlyer. |
dcStep – технология, гарантирующая защиту от пропуска шагов и от потери информации о положении вала двигателя. Это очень полезная технология для различных прецизионных механизмов. Дело в том, что двигатель может пропускать шаги при избыточной нагрузке на вал, что приводит к потере контроля за положением. В традиционных приложениях, чтобы защититься от такой ситуации, максимально допустимый момент на валу ограничивался примерно на уровне 50% от реального максимального момента двигателя. С помощью dcStep этого можно избежать.
Если в процессе работы произошло увеличение нагрузки выше заданного значения, то dcStep автоматически снижает частоту вращения в соответствии с текущим моментом на валу, и пропуска шагов не происходит (Рис. 12).
 |
|
| Рис. 12. | Временная диаграмма частоты вращения двигателя. |
Благодаря такому подходу удается значительно расширить полезную область использования двигателя (Рис. 13). При этом из него можно «выжать» до 80…90% от максимального момента, то есть при использовании dcStep для решения задачи хватит и менее мощного двигателя.
 |
|
| Рис. 13. | Использование dcStep позволяет избегать пропуск шагов и расширяет рабочий диапазон приложения. |
Стоит отметить, что у dcStep есть недостатки, например, пропуск шагов возможен на очень низких частотах.
Фирменные технологии от Trinamic являются по-настоящему полезными инструментами, а не маркетинговыми пустышками. С их помощью можно повысить КПД системы (coolStep), обойтись без концевых датчиков (stallGuard2), повысить плавность движения и уменьшить уровень шума (spreadCycle, stealthChop), защититься от пропуска шагов и повысить точность вращения (dcStep, microPlyer).
Посмотреть более подробно технические характеристики драйверов шаговых двигателей от Trinamic
